等截面曲线箱梁桥设计参数分析

等截面曲线箱梁桥设计参数分析

韩　皓　　　　　　　　　　　张文君

　　　　(同济大学,　上海　200092)　(内蒙古交通设计研究院,　呼和浩特　010010)

【摘　要】　曲线箱梁桥由于其结构特点,被广泛应用于高速公路和高架桥,但其设计计算非常繁杂,设计参数大都参考已建桥梁或通过大量试算来选取,工作量非常巨大。该文对曲线箱梁桥设计参数进行了分析,以供工程师在设计中参考。

【关键词】　曲线箱梁　弯扭耦合　高速公路　高架桥　设计参数

　　Abstract　Becauseofitsstructuralfeatures,curvedboxgirdersareusedasthestructureforex2

presswaysandflyoversextensively,butitsdesigncaculationistoocomplicated,moreover,thedesignparametersneedtobeselectedbyreferingtotheexistingbridgesorbytrialanderrormethod,sothedesignworkisverytimeconsuming.Inthispaperthedesignparametersofcurvedboxgirderbridgesareanalysed,inorderthatengineersareabletocontroltheselectionofthedesignparameterswhiledo2ingthedesignwork.

Keywords　curvedboxgirder　bendingandtwistcoulping　expressway　flyover　designpa2rameter1　概述

212　计算理论

曲线梁桥是现代交通工程中的一种重要桥型。箱形截面具有抗扭风度大、稳定性好、材料利用充分而经济、结构合理、外形简洁和便于养护等优点,因而在曲线梁桥中广泛采用。由于曲线箱梁桥结构的复杂性,人们对其结构特点和受力特性的认识还不够完善,使得其设计难度加大。

2　曲线箱梁设计理论211　受力分析

曲线梁的主要计算理论可以归纳为以下几种:

21211　纯扭转与翘曲扭转理论

纯扭转理论:将实际结构作为曲线弹性杆件,横截面无翘曲、无畸变,横截面的剪切中心轴线与曲线梁截面形心轴线相重合;

翘曲扭转理论:对于薄壁结构翘曲效应明显,考虑翘曲扭转,使得结构分析变得十分复杂。

21212　有限元法与梁格法

　由于曲线梁产生弯扭耦合作用,使得内力和变形趋于复杂:第一、弯桥的挠曲变形一般比相同跨径的直桥大,这是因为弯桥的挠曲变形不仅来自弯矩,还来自扭矩;第二、弯桥的弯矩一般比相同跨径的直桥的弯矩要大;第三、对一般直桥而言,扭矩的数值是比较小的,而弯桥由于弯扭耦合作用,扭矩的数值较大,因此扭矩的分析和计算是十分重要的;第四、弯桥采用单点支承法,对改善结构的受力特性有一定的好处;在弯桥的固定铰支座处,有时会产生很大的扭矩,甚至可能在支座处产生负反力。

有限元法:将整个截面划分为有限多个空间单元,可以得到箱形截面上的全部应力,是一种精确的计算方法,但计算工作量很大;

梁格分析法:用一个等效的梁格系来代表上部结构,把分散在梁每一区段内的弯曲刚度和抗扭刚度假定集中于相邻的等效梁格内(梁的纵向刚度集中在纵向梁格内,梁的横向刚度集中在横向梁格内)。

3　设计参数分析

目前,国内修建了许多预应力混凝土连续

箱梁桥,许多立交上部结构就采用等截面预应© 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

2内蒙古公路与运输1997年第2期

力混凝土连续箱梁。立交由若干种不同跨径、曲率半径和宽度的箱梁做成。为此,有必要对设计参数进行较为深入、细致的研究,使设计更为经济合理。

311　受力分析一

位置到桥中心线的偏心距分别为:e1=010m,

e2=012m,e3=014m。结果见表1。

实桥资料:上部构造为四跨连续曲线箱梁,曲率半径R=35100m,跨径组成为19103+

19106+19106+19103m,桥梁的横截面见图1(单位:m)。

图2

21112　腹板厚度对力学性能的影响

采用精确的板壳有限元模型,在中梁和外梁间顶板上满跨施加q=1均布荷载。腹板厚度:Ti=018T,019T,110T,111T,112T

(T=0165m)。剪应力计算结果见表2。

31113　横隔板数对力学性能的影响

图1

31111　支点位置变化对力学性能的影响

采用精确板壳有限元模型,横隔板数从0增至3,厚度取015m,在中梁和外梁间顶板上满跨施加q=1均布荷载。计算结果见表3。

采用梁格系模型,划分网格见图2。刚性支

承,荷载为结构自重及汽超-20级作用,支点

表1　支点位置变化对力学性能的影响

梁　　位测　　点内　　力挠度弯矩扭矩

(×10

-3)

内　侧

e1

e2

e3

边跨跨中腹板底部

中　间

e17

e2901

e3904

e1

外　侧

e2

e3

e11

内　侧

e2

e3

第二跨跨中腹板底部

中　间

e1820

e2836

e38

e1694

外　侧

e2714

e3736

217021822194216821216141344122411131563191272105119411865101694136106810841032

101610161016

10101029

-8-672-706-611-571-583-558-523-495-413-419438-417-394-370-383-363-3

(KN-M)(KN-M)

表2　腹板厚度对边跨跨中截面剪应力的影响(t=0165m)

位　置测　点018t019t110t111t112t

顶板(横向10等份,从内向外编号)

101500143013801360135

231533127310821932183

3561655141152185115

468106617651363196213

572157017681867106513

662186110591257145516

773147210701368166617

8

9

10

7914-1012-41437715-1013-41397516-1012-41327317-1011-41217116-9187-4107

内侧16121410121210179137

腹板中间-7126-6151-5192-5144-5105

底板(横向6等份从内向外编号)

外侧-4017-3518-3119-2815-2517

1

2

3

4

5

6

-6519-7915-8319-75139210-10112-15-7810-8117-7311-19-9813-6311-7614-7915-7019-8717-95139-6116-7418-7714-6817-8514-9216-6010-7311-7512-6616-8311-17

表3　横隔板数对边跨跨中力学性能的影响(位移影响很小,表中不列)

位　置横梁数正应力0正应力1正应力2正应力3剪应力0剪应力1剪应力2剪应力3

顶板(横向10等份,从内向外编号)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-2416-3417-3716-3316-3318-2911-2112-1611-1314-1317-1617-2814-3214-3215-3518-3111-2619-2013-1515-2013-2213-3216-3614-3217-3310-2911-2116-1619-1417-1419-1919-3113-3417-3219-3412-2911-2517-1917-1419-18170102013911691117

0176310841834180

181153135212

6110651360136219

6819681968136712

5516591258136016

6613701368107119

7913-1310-41607517-1012-41327915-9175-21867710-7151-2196

内侧13139100121310191417121212141118

腹板中间3142314631253143-8140-5192-7115-5193

底板(横向6等份从内向外编号)

外侧3170614141725162-3319-3118-3219-3114

16111481858115318

249151946184713

34417461442184419

43616381836163611

52717371229103510

62313341025163211

-6313-6917-7817-6612-8115-10115-6311-7614-7915-7019-8717-9514-6116-7019-8111-7311-8619-10316-6014-7416-7914-7511-9119-9719

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总第51期

312　受力分析二

等截面曲线箱梁桥设计参数分析3

71967m4,抗弯刚度I2=31158m4,翘曲刚度I󰂡=11110m6,CS=014696。施工过程为两跨先简

资料:跨径30m,为两跨曲线连续箱梁,R

=60m,两边支承为抗扭支承,中间为竖向独柱

支后连续,为了便于分析,假定变连续时,两跨的加载龄期相同,都为20天。混凝土线膨胀系数Α=1×10-5。用此算例分析徐变、温度、预应力作用的影响。有关图表不全部列出(表4)。

墩。分析徐变、温度、预应力等作用的影响。横截面为矩形单箱双室,箱体宽715m,梁高

113m,桥面宽1115m,腹板厚014m,顶、底板

厚0120m,截面积5184m2,抗扭刚度I1=

表4　曲率半径对徐变次内力的影响

截　　面支点截面

边跨跨中截面边跨跨中截面中间支座截面

内力种类

50

603731227814-1462

802741720514-1448

曲　率　半　径　R(m)

1002171816310-1441

1501431910718-1434

200107168016-1432

250851914-1431

30071155317-1430

400531012-1429

4561439918-1476

扭矩弯矩扭矩弯矩

(KN-M)(KN-M)(KN-M)(KN-M)

-77212-714-73618-72816-72016-71718-71616-71518-71512

313　受力分析三到顶板的距离为018m。基本参数:

ΡK=120MPa　Λ=0155　K=010015

)=0100023Υ(∝,Σ)=21216　Ε(∝,Σ

资料:两跨连续曲梁,端部抗扭支承,中间单点支承。单箱单室,顶板厚012m,桥面宽

810m,梁高1115m,腹板厚013m,箱宽316m。

每束钢束AY=0100120637m

2

(24󰂡8),两端张

∑∃1=

4mm

研究曲箱梁预应力损失、总预矩和二次内力,以及扭心和形心相对位置对其的影响。有关图表不全部列出(表5)。

拉;直线通束:布在两侧腹板,距顶板110m;弯束:中间支承处距顶板0105m,跨中处距底板0110m。普通钢筋面积Ag=0100231m,重心

2

表5　形心与扭心距离Y0对预应力效应的影响

边　跨　1󰃗4　点

总　预　矩次　内　力011240-01124011240-01124110021100199801987110110131100111001999019741101102611007110019930182911011171

中　间　支　承　处

总　预　矩次　内　力011240-01124011240-011240197711011023019871101101301911011011019741101602601933110110670182911011171

束　　形

直线布束弯　　索弯　　索

距离Y0(m)

R=100mR=100mR=40m

314　受力分析四0115m,梁高112m;活载汽-20级;中间独柱

资料:跨径24+30+24m,曲率半径R=

100m;设四道横隔梁,两个端横梁厚110m,两

支承设在3#肋下,中间双柱则设在2#和4#肋下,端部支承为双柱,对称地设在3#肋3m处。分析不同支承下内力的变化情况及预应力索引起的空间次内力问题。有关图表不全部列出(表6)。其他分析不再列出。

双　柱　弯　矩　(KN-M)

个墩顶横梁厚018m;横截面为矩形单箱四室,桥面宽1215m,箱体宽9124m,腹板厚0124m,顶板厚012m,底板厚0118m,伸臂板端部

支承方式梁　　位最大值最小值最大值最小值最大值最小值

独　柱　弯　矩　(KN-M)

1#65212

2#99117

3#88416

4#91516

5#

表6　恒、活载弯矩(使用状态组合)

截面位置边跨1󰃗3处边跨1󰃗3处墩顶处墩顶处中跨跨中中跨跨中

∑398710

1#73417

2#97718

3#98519

4#98714

5#73818

∑442416

15911218511618661712171592158794171525151841131833101880101563178317

219

1217171956102336182038171326168875181429112039142024192113141014914712197210282410323816291918209518130511220212288515279514301624271013374115751619281419091213171626103219153415187218186113191011171088251759713

85712

310

85519

60015

380319

68618

91411

92112

92218

69217

413716

　　注:腹板编号从内向外;墩顶处为负弯矩,表中未标出负号

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4

4　结论

内蒙古公路与运输1997年第2期

边梁较小,且外边梁比内边梁略小;独柱曲线宽箱梁桥预应力配筋,按照各梁包络图的不同配制不同的预应力筋,能够得到所需的压力线;墩顶截面处预应力二次力的绝对值是由内边梁向外边梁逐渐减小,但因中间梁有独柱的刚性支承,且中间梁墩顶配制预应力较多,故中间梁墩顶截面处的预应力二次力比其余各梁都大;预应力二次力对于抵抗荷载正弯矩有利,而对于抵抗墩顶负弯矩不利。

预应力筋的侧向作用:预应力筋在墩顶截面附近的侧向弯矩及轴力较大。这是因为墩顶截面配有较多的负弯矩预应力筋;剪力分布与单片梁受均布荷载的情况较为相似,这是因为各纵梁在远离墩顶截面处配筋接近,而且中梁墩顶又是侧向嵌固(不能侧向移动),且不考虑墩顶横梁的轴向压缩,故各梁通过横梁传递的侧向剪力很小。

417　梁高

通过研究、分析,得出部分参数对曲箱梁力学性能的影响规律:

411　曲率半径

徐变次内力随半径的变化规律和曲梁内力的变化规律相一致;曲率半径对梁的剪力和弯矩影响较小,但当半径很小时,如为50m,则影响较大;扭矩和双力矩对半径的大小很敏感。半径越大,挠度和法向应力沿截面分布越均匀;半径减小,截面挠度有所增加;半径越小,截面的畸变变形和畸变应力也越大。

412　截面形式

悬臂长度增加,各参数变化幅度增大。箱梁总宽不变时,翘曲刚度和双力矩随悬臂板长度变化而变化;箱梁总宽不变,室数的增加对受力有利。

413　壁板厚度

曲线箱梁在对称荷载作用下,挠度峰值在内侧或靠近内侧,增加壁厚,可减小畸变产生的不均匀挠度,使截面挠度趋于均匀;当最小厚度与宽度之比小于一定数值时,约束扭转和畸变的影响会显著增大。

414　横隔板数

弯扭刚度比K(K=EI󰃗GId)增大,扭转变形显著增大,在满足竖向变形(抗弯刚度EI)的前提下,宜尽可能地减小EI值,增大GId值。

5　结语

本文的研究、分析结果,可使工程师深刻了解曲箱梁空间受力特性,减轻工作负担,使设计更为经济、合理。

6　参考文献

1　邵容光1混凝土弯梁桥1北京:人民交通出版社,19942　姚玲森1曲线梁1北京:人民交通出版社,19

3　.A.C.Scordells&P.K.Larsen:StructureResponseofCurredRCBox_GiderBridge,ASCE,ST8,1977,84　黄剑源、张罗溪1考虑翘曲作用的曲线格子梁理论与应用

内横隔板对调整曲线箱梁内外缘的变形和应力有很大益处。它改善了曲线箱梁的受力特性,特别是对减小截面畸变变形和畸变应力作用很大,适当增设内横隔板具有较好的效果。

415　支点位置的变化

支点位置向外侧偏移,对支反力影响很小。抗扭支座的反扭矩随着偏心的增大,甚至呈线性减小;恒载弯矩略有变化,各跨最大正弯矩略有增加;当偏心距选择适当时,可以使最大扭矩和最小扭矩的绝对值相等。

416　独柱曲线宽箱梁桥力学性能分析

——青岛曲线斜支承格子梁桥的分析1土木工程学报,

NO3,1987

5　石洞、石志源1桥梁结构电算1上海:同济大学出版社,

1987

预应力配筋:独柱曲线宽箱梁桥,各梁跨中正弯矩相近,但墩顶负弯矩相差较大。中间梁受独柱墩刚性支承,边梁只受横梁的弹性支承,中间梁墩顶负弯矩绝对值较大,边梁、次

收稿日期:1997-05-06　

(编辑　李新生)

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